CN111613544B - 真空晶圆键合机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及晶圆生产领域，尤其涉及一种真空晶圆键合机，用于晶圆的键和。包括架体，所述的架体整体呈竖向的长方体状，所述的架体内部上下中间位置设有横向隔板，所述的横向隔板上表面左侧设有真空腔体，所述的真空腔体内底部设有加热盘，所述的加热盘上方设有柔性压头，柔性压头上表面通过连接件伸出真空腔体顶板与上侧的压力控制装置相连接，所述的真空腔体下方的架体内设有抽真空装置，所述的真空腔体右侧设有竖向隔板，竖向隔板竖向贯通架体设置，且竖向隔板右侧的横向隔板上侧设有自动控制系统。它操作简单，使用方便，适用于多种场所。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆生产领域，具体为一种真空晶圆键合机。
背景技术
键合机是将两片性质各异的晶圆或衬底面对面贴合在一起，通过施加一定外界条件，如压力、温度、电压等，使之合为一体。晶圆键合技术广泛的应用于先进封装、MEMS、3D互联，LED制造，特殊衬底制造等领域，越来越成为半导体和MEMS领域必不可少的研发和生产工具。两片平整的衬底，面对面贴合起来，施加一定的压力、温度等外部条件，原有的两片衬底之间的界面，会产生原子或分子间的结合力。
现有传统晶圆键合设备，目前市场尚无成型的标准设备，一般为自行搭建的简易装置，只能进行简单实验，存在诸多缺陷，加热器在真空腔体内部，真空状态下，加热器通电加热，容易产生打火现象。无法真空加压，加压压力控制不准确，压头材质一般用石墨压头，较硬，对晶圆键合产生一定影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种真空晶圆键合机，有效解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种真空晶圆键合机，其特征在于：包括架体，所述的架体整体呈竖向的长方体状，所述的架体内部上下中间位置设有横向隔板，所述的横向隔板上表面左侧设有真空腔体，所述的真空腔体内底部设有加热盘，所述的加热盘上方设有柔性压头，柔性压头上表面通过连接件伸出真空腔体顶板与上侧的压力控制装置相连接，所述的真空腔体下方的架体内设有抽真空装置，所述的真空腔体右侧设有竖向隔板，竖向隔板竖向贯通架体设置，且竖向隔板右侧的横向隔板上侧设有自动控制系统。
优选的，所述的真空腔体包括不锈钢腔体，所述的不锈钢腔体前侧设有开口，开口处设有侧门，侧门左端部通过合页与不锈钢腔体固定连接，侧门中间位置设有透明视窗，侧门四角通过螺栓与不锈钢腔体固定连接，所述的不锈钢腔体顶面中间位置设有密封件，密封件四周设有与压力调节装置连接的固定螺母；所述的真空腔体的底板为中空结构，底部前侧设有一对水冷接头。
优选的，所述的侧门右侧外表面固定设有把手，把手整体呈后开口的U型结构；所述的不锈钢腔体顶部左右两侧外表面固定设有吊环螺栓。
优选的，所述的加热盘包括加热盘主体，由304不锈钢制作而成，呈扁平的圆柱形结构，内部设有铠装加热丝，侧周面底部设有固定板，固定板通过螺栓与真空腔体内底部固定连接；所述的铠装加热丝通过线路与自动控制系统相连接。
优选的，所述的柔性压头包括上开口的硅胶气囊，所述的硅胶气囊上开口处向外环形设有一圈凸沿，所述的凸沿下方设有铝制固定环，铝制固定环与上侧的铝制安装板通过一圈螺栓固定连接，铝制安装板顶部固定设有铝制压环，铝制压环与上方的铝制压头转接件底部固定连接，铝制压头转接件与连接件底部固定连接。
优选的，所述的压力控制装置包括竖向的气缸，所述的气缸底部伸出气缸杆，气缸杆底部通过万向节与连接件顶部固定连接，连接件与真空腔体顶板之间设有密封件；气缸底部还设有气缸固定板，所述的固定板呈方形结构，四角设有与固定螺母配合的气缸支架；所述的气缸通过电子阀与气管连接，气管与气泵相连接，电子阀通过线路与自动控制系统相连接，所述的气缸固定板一侧固定设有精密气压调节阀，精密气压调节阀的进气口通过气管与气泵相连接，精密气压调节阀的出气口通过气管与真空腔体上方的连接件侧壁的接头相连接，连接件为中空结构，底部与硅胶气囊连通。
优选的，所述的抽真空装置包括真空泵，所述的真空泵通过抽吸管与真空腔体后部的真空开关阀相连接，所述的真空泵固定于底板上，底板固定于架体底部，架体底部还设有万向轮；所述的真空泵通过线路与自动控制系统相连接。
优选的，所述的真空腔体后侧的真空开关阀处设有真空检测件，真空检测件通过线路与自动控制系统相连接。
优选的，所述的自动控制系统包括铝制面板，所述的铝制面板后侧固定设有PLC控制器，所述的铝制面板上侧固定设有触摸屏，触摸屏下方左右排列设有压力显示器和温控表，控制面板的下侧设有若干横向排列的按钮开关。
与现有技术相比，本发明提供了一种真空晶圆键合机，具备以下有益效果：
1.本发明的压头由传统的石墨压头改为柔性的硅胶气囊压头，并且气囊内部可以单独充气加压，解决了晶圆与加热器表面间隙的问题。且加热盘由原来放置到真空腔体内部改为加热丝单独密封，实现加热丝与真空腔体隔绝。
2.本发明的加热盘部分,通过加大加热盘内铠装加热丝的功率，现在已能达到20℃/min的升温速率，有效解决设备实验前期升温速率较慢的问题。
3.本发明的加热盘改为304不锈钢独立密封结构，加热丝不在真空腔体内部，不会出现通电加热打火现象。铠装加热丝装到304不锈钢内部，使得温度均匀性由原来石墨压头的±5℃，提高到了±2℃。
4.本发明的压头底部为硅胶气囊，并且硅胶气囊内部可以单独充气。采用气囊充压的方式，可以通过控制系统进行线性加压，压头压力可以在规定时间内匀速加压到晶片上。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的主视结构示意图；
图3为本发明的后视结构示意图；
图4为图1中真空腔体的放大结构示意图；
图5为图1中压头的放大结构示意图；
图6为压力控制机构的放大结构示意图；
图7为加热盘的放大结构示意图；
图8为控制面板的结构示意图；
图中标示：1.真空腔体；11.不锈钢腔体；12.侧门；121.把手；13.合页；14.螺栓；15.透明视窗；16.连接螺母；17.吊环螺栓；18.水冷接头；2.柔性压头；20.连接件；21.铝制压头转接件；22.铝制压环；23.铝制安装板；24.铝制固定环；25.硅胶气囊；251.凸沿；3.气压调节机构；31.气缸；311.气缸杆；312.磁性开关；32.气缸固定板；33.气缸支架；34.万向节；4.加热盘；41.加热盘主体；42.固定板；5.控制面板；51.铝制面板；52.触摸屏；53.压力显示器；54.温控表；55.按钮开关；6.精密气压调节阀；7.抽真空装置；71.真空泵；72.抽吸管；8.密封件；9.真空检测件；10.框架；101.横向隔板；102.竖向隔板；103.底板；104.万向轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图8所示，一种真空晶圆键合机，包括架体10，所述的架体10整体呈竖向的长方体状，所述的架体10内部上下中间位置设有横向隔板101，所述的横向隔板101上表面左侧设有真空腔体1，所述的真空腔体1内底部设有加热盘4，所述的加热盘4上方设有柔性压头2，柔性压头2上表面通过连接件20(现有技术)伸出真空腔体1顶板与上侧的压力控制装置3相连接，所述的真空腔体1下方的架体10内设有抽真空装置7，所述的真空腔体1右侧设有竖向隔板102，竖向隔板102竖向贯通架体1设置(将横向隔板101一分为二)，且竖向隔板102右侧的横向隔板101上侧设有自动控制系统5。
上述实施例中，具体的，所述的真空腔体1包括不锈钢腔体11(304不锈钢)，所述的不锈钢腔体11前侧设有开口，开口处设有侧门12，侧门12左端部通过合页13与不锈钢腔体11固定连接，侧门中间位置设有透明视窗15(耐温、耐压、耐腐蚀的特种钢化硼硅玻璃视镜，可以观察到柔性压头2与晶圆键合过程)，侧门12四角通过螺栓14(锁紧梅花螺栓)与不锈钢腔体11固定连接，所述的不锈钢腔体11顶面中间位置设有密封件8(进口弹簧蓄能密封装置)，密封件8四周设有与压力调节装置3连接的固定螺母16。所述的真空腔体1的底板为中空结构，底部前侧设有一对水冷接头18，一个通过进水管与冷却水箱相连接，另一个通过回水管与冷却水箱相连，进水管上设有循环泵(图中未示出，本领域技术人员知晓其原理)。对加热盘4与真空腔体1连接的密封件起到降温作用。
上述实施例中，具体的，所述的侧门12右侧外表面固定设有把手121，把手121整体呈后开口的U型结构。所述的不锈钢腔体11顶部左右两侧外表面固定设有吊环螺栓17。
上述实施例中，具体的，所述的加热盘4包括加热盘主体41，由304不锈钢制作而成，呈扁平的圆柱形结构，内部设有铠装加热丝(未示出)，侧周面底部设有固定板42，固定板42通过螺栓与真空腔体1内底部固定连接，且固定板42与真空腔体1底面之间采用杜邦含氟橡胶圈(未示出)密封。所述的铠装加热丝通过线路(未示出)与自动控制系统5相连接。
上述实施例中，具体的，所述的柔性压头2包括上开口的硅胶气囊25(圆柱形)，所述的硅胶气囊25上开口处向外环形设有一圈凸沿251，所述的凸沿251下方设有铝制固定环24，铝制固定环24与上侧的铝制安装板23通过一圈螺栓(未示出)固定连接，铝制安装板23顶部固定设有铝制压环22，铝制压环22与上方的铝制压头转接件21底部固定连接，铝制压头转接件21与连接件20底部固定连接。
上述实施例中，具体的，所述的压力控制装置3包括竖向的气缸31，所述的气缸31底部伸出气缸杆311，气缸杆311底部通过万向节34与连接件20顶部固定连接，连接件20与真空腔体1顶板之间设有密封件16。气缸31底部还设有气缸固定板32，所述的固定板32呈方形结构，四角设有与固定螺母17(真空腔体)配合的气缸支架33。所述的气缸31通过电子阀(未示出)与气管(未示出)连接，气管与气泵(未示出)相连接，电子阀通过线路与自动控制系统5相连接，所述的气缸固定板32一侧固定设有精密气压调节阀6(图1所示)，精密气压调节阀6的进气口通过气管与气泵相连接，精密气压调节阀6的出气口通过气管与真空腔体1上方的连接件20侧壁的接头(未示出)相连接，连接件20为中空结构，底部与硅胶气囊25连通，铝制压头转接件21、铝制压环22和铝制安装板23中间分别设有与连接件20连通的通孔。硅胶气囊25可以通过精密气压调节阀6单独向硅胶气囊内部充气，调节气囊与晶片的接触面积。
上述实施例中，更为具体的，所述的抽真空装置7包括真空泵71，所述的真空泵71通过抽吸管72与真空腔体1后部的真空开关阀(未单独标记)相连接，所述的真空泵71固定于底板103上，底板103固定于架体1底部，架体1底部还设有万向轮104(具有限位功能)。所述的真空泵71通过线路与自动控制系统5相连接。
上述实施例中，更为具体的，所述的真空腔体1后侧的真空开关阀处设有真空检测件9(图3所示，现有技术，可以任意控制真空腔体1内部的真空度)，真空检测件9通过线路与自动控制系统5相连接。
上述实施例中，更为具体的，所述的自动控制系统5包括铝制面板51，所述的铝制面板51后侧固定设有PLC控制器(未示出)，所述的铝制面板51上侧固定设有触摸屏52，触摸屏52下方左右排列设有压力显示器53和温控表54，控制面板51的下侧设有若干横向排列的按钮开关52(便于手动操作)。
本发明由触摸屏52控制，根据设定的目标温度，柔性压头2压力自动进行加热，加压输出调节，确保目标样品温度稳定，压力稳定，为了确保系统运行时的安全性，自动控制系统5中设有超温报警装置(现有技术)，漏电保护装置(现有技术)，为了操作和监控方便，采用集控系统，所有电控部件输出控制，温度监控均可通过触摸屏52实现，并预留备用口，方便数据导出。此处的控制技术均属于自动控制系统内部技术，且为现有技术，本领域技术人员一般技术人员熟悉并知晓。
本发明中使用的部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理均为本领域技术人员所熟知。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种真空晶圆键合机，其特征在于：包括架体，所述的架体整体呈竖向的长方体状，所述的架体内部上下中间位置设有横向隔板，所述的横向隔板上表面左侧设有真空腔体，所述的真空腔体内底部设有加热盘，所述的加热盘上方设有柔性压头，柔性压头上表面通过连接件伸出真空腔体顶板与上侧的压力控制装置相连接，所述的真空腔体下方的架体内设有抽真空装置，所述的真空腔体右侧设有竖向隔板，竖向隔板竖向贯通架体设置，且竖向隔板右侧的横向隔板上侧设有自动控制系统；
所述的加热盘包括加热盘主体，由304不锈钢制作而成，呈扁平的圆柱形结构，内部设有铠装加热丝，侧周面底部设有固定板，固定板通过螺栓与真空腔体内底部固定连接；所述的铠装加热丝通过线路与自动控制系统相连接；
所述的柔性压头包括上开口的硅胶气囊，所述的硅胶气囊上开口处向外环形设有一圈凸沿，所述的凸沿下方设有铝制固定环，铝制固定环与上侧的铝制安装板通过一圈螺栓固定连接，铝制安装板顶部固定设有铝制压环，铝制压环与上方的铝制压头转接件底部固定连接，铝制压头转接件与连接件底部固定连接；
所述的压力控制装置包括竖向的气缸，所述的气缸底部伸出气缸杆，气缸杆底部通过万向节与连接件顶部固定连接，连接件与真空腔体顶板之间设有密封件；气缸底部还设有气缸固定板，所述的固定板呈方形结构，四角设有与固定螺母配合的气缸支架；所述的气缸通过电子阀与气管连接，气管与气泵相连接，电子阀通过线路与自动控制系统相连接，所述的气缸固定板一侧固定设有精密气压调节阀，精密气压调节阀的进气口通过气管与气泵相连接，精密气压调节阀的出气口通过气管与真空腔体上方的连接件侧壁的接头相连接，连接件为中空结构，底部与硅胶气囊连通。
2.根据权利要求1所述的一种真空晶圆键合机，其特征在于：所述的真空腔体包括不锈钢腔体，所述的不锈钢腔体前侧设有开口，开口处设有侧门，侧门左端部通过合页与不锈钢腔体固定连接，侧门中间位置设有透明视窗，侧门四角通过螺栓与不锈钢腔体固定连接，所述的不锈钢腔体顶面中间位置设有密封件，密封件四周设有与压力调节装置连接的固定螺母；所述的真空腔体的底板为中空结构，底部前侧设有一对水冷接头。
3.根据权利要求2所述的一种真空晶圆键合机，其特征在于：所述的侧门右侧外表面固定设有把手，把手整体呈后开口的U型结构；所述的不锈钢腔体顶部左右两侧外表面固定设有吊环螺栓。
4.根据权利要求1所述的一种真空晶圆键合机，其特征在于：所述的抽真空装置包括真空泵，所述的真空泵通过抽吸管与真空腔体后部的真空开关阀相连接，所述的真空泵固定于底板上，底板固定于架体底部，架体底部还设有万向轮；所述的真空泵通过线路与自动控制系统相连接。
5.根据权利要求1所述的一种真空晶圆键合机，其特征在于：所述的真空腔体后侧的真空开关阀处设有真空检测件，真空检测件通过线路与自动控制系统相连接。
6.根据权利要求1所述的一种真空晶圆键合机，其特征在于：所述的自动控制系统包括铝制面板，所述的铝制面板后侧固定设有PLC控制器，所述的铝制面板上侧固定设有触摸屏，触摸屏下方左右排列设有压力显示器和温控表，控制面板的下侧设有若干横向排列的按钮开关。
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